摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響研究

褚 鋒 蘇紀(jì)壯 王瑞冰 汲 平 王鑫洋 劉 健

(山東高速集團(tuán)有限公司建設(shè)管理公司1) 濟(jì)南 250000) (山東高速工程檢測(cè)有限公司2) 濟(jì)南 250002)

0 引 言

鐵尾礦砂是鐵礦場(chǎng)在開采分選礦石之后排放的固體廢棄物，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵尾礦砂排放量逐年增加，如不能進(jìn)行合理利用將占用大量土地、污染環(huán)境，還易產(chǎn)生安全隱患[1].公路工程建設(shè)過程中需要大量的筑路材料，若能采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，將鐵尾礦砂用作筑路材料，既可以降低公路工程造價(jià)，也可減少其對(duì)環(huán)境的污染.

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)鐵尾礦砂應(yīng)用于瀝青路面半剛性基層進(jìn)行了一定研究.楊青[2]對(duì)鐵尾礦砂顆粒級(jí)配、礦物組成、水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性、干縮性能等進(jìn)行了研究.王琰[3]對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦砂的疲勞及凍融循環(huán)特性的進(jìn)行了研究.李洪斌等[4-5]對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的動(dòng)態(tài)模量、靜態(tài)模量、抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、抗凍融循環(huán)性能、抗疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂可用于瀝青路面基層.趙飛[6]通過SEM試驗(yàn)研究了水泥鐵尾礦砂固化機(jī)理.王緒旺等[7]對(duì)鐵尾礦半剛性路面基層的抗沖刷性能進(jìn)行了預(yù)估分析，結(jié)果表明：水泥劑量為5%時(shí)能夠取得良好的抗沖刷性能和經(jīng)濟(jì)性.Che等[8]對(duì)鐵尾礦混凝土(ITC)力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鐵尾礦砂混凝土各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足農(nóng)村公路需求.Djellali等[9]對(duì)經(jīng)水泥處理后的鐵尾礦砂的密實(shí)度，抗壓強(qiáng)度及加州承載比(CBR)進(jìn)行了測(cè)試.Oliveira等[10]使用水泥對(duì)兩種鐵尾礦砂的物理力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)水泥用量為5%時(shí)，混合料的力學(xué)性能夠滿足巴西規(guī)范中路基技術(shù)指標(biāo)要求.

綜上所述，以往研究?jī)H對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的路用性能進(jìn)行了研究，研究過程中未涉及振動(dòng)擊實(shí)技術(shù)對(duì)其混合料路用性能的影響.因此，本文通過振動(dòng)擊實(shí)成型、靜壓成型兩種方式制備試樣，并對(duì)不同鐵尾礦砂摻量、不同級(jí)配類型的混合料進(jìn)行試驗(yàn)研究，便進(jìn)一步認(rèn)識(shí)振動(dòng)擊實(shí)及鐵尾礦砂作用機(jī)理，準(zhǔn)確地表征其混合料性能，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐.

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

1) 粗集料 粗集料最大粒徑31.5 mm，分為4.75～9.5、9.5～19、19～31.5 mm三檔，壓碎值為21.7%，表觀相對(duì)密度均大于2.730，其他技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中相關(guān)要求.

2) 細(xì)集料 細(xì)集料為0～4.75 mm機(jī)制砂，表觀相對(duì)密度為2.656，塑性指數(shù)10.

3) 水泥 采用山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)P·O 42.5級(jí)緩凝水泥.

4) 鐵尾礦砂 選用山東棗莊某礦廠生產(chǎn)的鐵尾礦砂，塑性指數(shù)12，砂當(dāng)量71%，內(nèi)照射指數(shù)0.100，外照射指數(shù)0.165，浸出毒性滿足國(guó)家規(guī)范相關(guān)要求，其主要礦物成分見表1.

5) 水 試驗(yàn)用水為濟(jì)南地區(qū)自來水.

表1 鐵尾礦砂成分組成表

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)原材料進(jìn)行篩分，配合比設(shè)計(jì)時(shí)逐檔回配.水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂混合料級(jí)配見圖1，通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定混合料最佳用水量為5%，水泥用量為4.0%.

圖1 水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配圖

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)各鐵尾礦砂摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料通過靜壓成型和振動(dòng)成型方式制備試樣，其中混合料最大干密度為2.378 g/cm3，試樣制備過程中控制壓實(shí)度為98%.其中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度和水穩(wěn)定性試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法養(yǎng)生7 d，抗凍性試驗(yàn)及間接拉伸疲勞試驗(yàn)試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d.水穩(wěn)定性試驗(yàn)采用20 ℃下保水48 h后測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；抗凍性試樣采用5次凍融循環(huán)(-18 ℃凍結(jié)16 h，取出試件量高、稱質(zhì)量，然后立即放入20 ℃的水槽中進(jìn)行融化，融化時(shí)間8 h，融化完畢，取出試件擦干后量高、稱質(zhì)量為一次凍融循環(huán))，后測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；疲勞試驗(yàn)采用Havesine波，加載頻率為10 Hz，應(yīng)力控制方式，應(yīng)力比選為0.5～0.8，試驗(yàn)溫度定為15 ℃.使用TENSORⅡ型傅里葉變換紅外光譜儀和X射線衍射儀，對(duì)摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行紅外光譜分析和X衍射分析.紅外光譜屬于分子振動(dòng)光譜，是由于化合物分子中的基團(tuán)吸收特定波長(zhǎng)的電磁波引起分子內(nèi)部的某種振動(dòng)，通過討論分子振動(dòng)類型，確定各種振動(dòng)吸收峰的歸屬，最終反映化合物結(jié)構(gòu)的變化，是分子鑒定和結(jié)構(gòu)分析的常用手法.一般水泥中A礦和B礦的Si—O鍵的伸縮振動(dòng)在926 cm-1附近，一旦遇水聚合為凝膠，變?yōu)镾i—O—Si鍵，遷移至970 cm-1附近振動(dòng).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

不同成型方式及不同鐵尾礦摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及間接拉伸強(qiáng)度隨鐵尾礦砂量的增加呈現(xiàn)先增大后間減小的趨勢(shì)，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度達(dá)到峰值，其原因?yàn)殍F尾礦砂較石屑更細(xì)，更易在粗集料表面形成水泥膠漿能夠均勻的填充混合料間空隙，但當(dāng)用量達(dá)到一定限值后，水泥膠漿在混合料體系中所占比例增加，由于膠漿強(qiáng)度低于碎石強(qiáng)度，因此更易發(fā)生破壞；振動(dòng)成型制備試樣強(qiáng)度明顯大于靜壓成型方法制備的試件，究其原因?yàn)?，振?dòng)擊實(shí)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)波能夠使混合料中的集料顆粒產(chǎn)生移動(dòng)，移動(dòng)產(chǎn)生的空隙被水泥膠漿填充密實(shí)，相較于靜壓成型振動(dòng)擊實(shí)成型試件密實(shí)度更高，內(nèi)部微裂紋更少，因此表現(xiàn)出強(qiáng)度更高.

2.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果分析

通過水穩(wěn)性系數(shù)(K)評(píng)價(jià)摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖3中試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：養(yǎng)生28 d試樣水穩(wěn)定性明顯高于養(yǎng)生7 d試樣，其主要原因是養(yǎng)生28 d的試樣水泥水化程度更加完全，混合料因此表現(xiàn)為混合料強(qiáng)度的增加；混合料水穩(wěn)定性隨鐵尾礦砂摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度達(dá)到峰值；振動(dòng)成型方式制備試樣水穩(wěn)定性較靜壓成型方式成型試樣效果更佳，其主要原因是振動(dòng)波作用下，顆粒發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)產(chǎn)生的空隙被水泥膠漿填充密實(shí)，力學(xué)性能上表現(xiàn)為強(qiáng)度的增加.

2.3 抗凍性試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究采用凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石抗凍性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

圖4 抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知：摻加鐵尾礦砂后水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗凍性明顯提升，但到達(dá)某一峰值后不再增長(zhǎng)，其主要原因是鐵尾礦砂中小于0.075 mm顆粒含量明顯高于石屑，添加水泥拌和后形成的膠漿含量增加，更易填充混合料內(nèi)部空隙，使得試樣更加密實(shí)，從而表現(xiàn)出試樣抗凍性的提升；振動(dòng)成型較靜壓成型制備試樣的抗凍性更加優(yōu)異.

2.4 抗疲勞性能試驗(yàn)研究

本研究采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)對(duì)未摻加鐵尾礦砂和不同鐵尾礦砂摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行抗疲勞性能研究.結(jié)果見圖5.

圖5 疲勞回歸方程圖

由圖5可知：疲勞壽命擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，疲勞回歸方程斜率大小依次為：疲勞回歸方程截距大小依次為：摻加5%鐵尾礦砂>無鐵尾礦砂>摻加10%鐵尾礦砂>摻加15%鐵尾礦砂>摻加20%鐵尾礦砂>摻加25%鐵尾礦砂，說明混合料中適當(dāng)添加一定量的鐵尾礦砂能夠提高反復(fù)的交通荷載作用下水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命，主要原因是混合料中細(xì)集料含量過低，混合料強(qiáng)度變異性增加，抗疲勞性能下降.

2.5 紅外光譜測(cè)試結(jié)果及分析

圖6為FTIR圖.由圖6a)可知：水泥、石灰?guī)r和鐵尾礦的結(jié)構(gòu)存在較大差異，水泥中Si-O鍵的彎曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)吸收峰分別位于400～600 cm-1和900～1 000 cm-1處，因此水泥中523 cm-1和990 cm-1處是水泥礦物A和礦物B的Si—O鍵彎曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的峰.石灰?guī)r和鐵尾礦在710 cm-1處的小尖峰是由于其中的非晶相SiO2的Si-O鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的峰.鐵尾礦在550 cm-1處的小尖峰是由于其內(nèi)部含鐵礦物彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的峰.

圖6 FTIR圖

圖中標(biāo)記了Si-O鍵伸縮振動(dòng)、水分子羥基的伸縮振動(dòng)和水化產(chǎn)物Ca(OH)2羥基伸縮振動(dòng)、3CaO·SiO2·nH2O的彎曲振動(dòng)、3CaO·3Al2O3·3CaSO4·32nH2O彎曲振動(dòng)，峰位置分別在900～1 000、3 468、730和837、3 449 cm-1左右，對(duì)比水泥石、鐵尾礦砂和水泥、石灰?guī)r和水泥拌和后的水化產(chǎn)物可以發(fā)現(xiàn)，3 449 cm-1左右的鈣釩石吸收峰消失，其主要原因是拌和后的混合料中水泥用量較少，相較于水泥石，混合料內(nèi)部的集料較多，雖經(jīng)過粉碎，但試樣中仍含有大量的集料，因此3 449 cm-1左右的鈣釩石吸收峰消失.對(duì)比靜壓成型和振動(dòng)成型兩種成型方式制備試樣的吸收峰位置幾乎相同，但峰強(qiáng)度存在明顯差異，其主要原因是振動(dòng)成型過程中的振動(dòng)波帶動(dòng)了混合料中膠漿的移動(dòng)，使得在混合料內(nèi)部分散更加均勻，進(jìn)而水化反應(yīng)更加充分，因此其吸收峰處振動(dòng)更加明顯.

2.6 XRD測(cè)試結(jié)果及分析

圖7為XRD試驗(yàn)結(jié)果，由圖7可知：①無論采用哪種成型方式，是否添加鐵尾礦砂，混合料中的CaO和SiO2的峰值都比較明顯，其主要原因是XRD試樣的制備過程中，將粗集料表面黏附的細(xì)集料刮下后，經(jīng)室內(nèi)磨細(xì)，后使用0.075 mm方孔篩篩分后使用，這使得XRD試樣中含有大量的集料粉末，因此CaO和SiO2的峰值較其他礦物更明顯；②水泥穩(wěn)定碎石混合料在添加10%的鐵尾礦砂后，XRD試樣的Fe2O3峰值更明顯，其主要原因是鐵尾礦砂中含有較多的含鐵礦物，因此Fe2O3處出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)峰；③在同等養(yǎng)護(hù)條件、同齡期及相同水泥用量下，采用振動(dòng)成型方式制備的水泥穩(wěn)定碎石混合料中出現(xiàn)了明顯的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)峰值，其主要原因是振動(dòng)作用加速了水泥在集料中的分散，使水泥在混合料內(nèi)部分散更均勻，因此C3S和C2S處的峰值更明顯.

圖7 XRD試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1) 水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及抗凍性隨鐵尾礦砂量的增加呈現(xiàn)先增大后間減小的趨勢(shì)，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度達(dá)到峰值.

2) 鐵尾礦砂的加入使得水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)鐵尾礦用量為5%時(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命達(dá)到峰值，隨著鐵尾礦砂用量的繼續(xù)增加，疲勞壽命逐漸降低.

3) 振動(dòng)成型方式制備試樣較靜壓成型方式制備試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、抗凍性更高，但耐疲勞性能降低，這與振動(dòng)成型方式制備試樣的密實(shí)度更高有關(guān).

4) 水泥穩(wěn)定碎石混合料中添加一定量的鐵尾礦砂后，振動(dòng)峰和吸收峰的位置幾乎相同，且采用振動(dòng)成型時(shí)，峰強(qiáng)度較靜壓成型更明顯.